Aktiivisen perhosdipoliantennin suunnittelu ja toteutus

TEKNIIKKA JA LIIKENNE

Tietotekniikka Tietoliikennetekniikka

INSINÖÖRITYÖ

AKTIIVISEN PERHOSDIPOLIANTENNIN SUUNNITTELU JA TOTEUTUS

Työn tekijä: Jan Katz Työn ohjaajat: Olavi Aho

Työ hyväksytty: ___. ___. 2009

Olavi Aho yliopettaja

ALKULAUSE

Tämä insinöörityö tehtiin Metropolia Ammattikorkeakoulussa. Kiitän työn valvojaa Olavi Ahoa hyvästä opastuksesta. Kiitän myös vaimoani kärsivällisyydestä lopputyön tekemisen aikana. Kiitokset kuuluvat myös opettajille, jotka ovat pedanneet tiedot insinöörityön teke- miselle.

Helsingissä 23.11.2009

Jan Katz

TIIVISTELMÄ

Työn tekijä: Jan Katz

Työn nimi: Aktiivisen perhosdipoliantennin suunnittelu ja toteutus Päivämäärä: 23.11.2009 Sivumäärä: 36 s.

Koulutusohjelma: Suuntautumisvaihtoehto:

Tietotekniikka Tietoliikennetekniikka

Työn ohjaaja: yliopettaja Olavi Aho, Metropolia ammattikorkeakoulu

Tämän insinöörityön tavoitteena oli suunnitella ja toteuttaa aktiivinen perhosdipoliantenni, jolla voidaan vastaanottaa UHF-taajuuksilla lähetettyjä digitaalisia TV-lähetyksiä. Aktiivi- seen antenniin kuuluu LNA-vahvistin (low noise amplifier), jolla vahvistetaan vastaanotet- tuja signaaleja. Suunnittelun ja toteutuksen tavoitteena oli käyttää olemassa olevia sovel- luksia.

Alussa tarkasteltiin erilaisten antennien ominaisuuksia, joilla on mahdollista vastaanottaa UHF-taajuuksilla lähetettyjä signaaleja. Tarkastelun kohteena oli myös Matlab- ja APLAC- sovellukset, joilla mahdollistettiin antennin ja vahvistimen optimointi määrätyille taajuuksil- le. Esittelyn tukena on kuvia ja kaavoja.

Seuraavaksi tutustuttiin lähemmin antennin rakenteeseen ja ominaisuuksiin. Antennissa tarkasteltiin säteilykuviota, suuntaavuutta, vahvistusta ja polarisaatiota.

Lopuksi insinöörityössä kerrotaan perhosdipoliantennin suunnittelu ja rakentaminen.

Osuudessa esitellään antennin mittaustuloksia suunnitteluvaiheessa sekä valmiin anten- nin toimivuus normaaliolosuhteissa.

Työn tuloksena saatiin toimiva antenni, jolla voidaan katsoa digi-tv-lähetyksiä. Vertailukoh- teena käytettiin markkinoilla olevaa yagi-mallista dipoliantennia.

Avainsanat: Perhosdipoliantenni, UHF, LNA, Matlab, APLAC

ABSTRACT Name: Jan Katz

Title: Design and Implementation of Active Boltie Antenna Date: 23.11.2008 Number of pages: 36

Department: Study Programme:

Information Technology Telecommunication

Instructor: Olavi Aho, Principal Lecturer, Helsinki Metropolia University of Applied Sci- ences

The aim of this final year thesis was to design and create an active bowtie antenna, which enables to receive signals between 478 MHz-786 MHz (UHF-frequency). Bowtie antenna is used in television broadcasting. Active antenna contains a low noise amplifier, which amplifies incoming signals. Bowtie antenna is a variation of dipole antenna.

The antenna and amplifier were implemented to FR-4 circuit board, because circuit board is easy to handle. The antenna was optimized to 600 MHz frequency and LNA-amplifier was optimized to 650 MHz. APLAC and Matlab applications were used during designing of the antenna.

A more detailed study was made of the amplifier and the antenna’s measurements and features, its gain, return loss and radiation pattern.

As a result of the thesis was a functional antenna, which works as well as the already commercialised comparison antenna. Measurement values are introduced in the last pages.

Keywords: UHF, Bowtie antenna, APLAC, Matlab

SISÄLLYS

ALKULAUSE TIIVISTELMÄ ABSTRACT SISÄLLYS

LYHENTEET

1 JOHDANTO 1

2 DIGITAALISET LÄHETYKSET 1

3 ANTENNIT 3

3.1 Dipoliantenni 3

3.1.1 Taittodipoli (Stub-loaded folded dipole) 5

3.1.2 Perhosdipoli 6

3.2 Heliksiantenni 6

4 PERHOSDIPOLIN SUUNNITTELU 7

4.1 Bowtie.m-tiedosto 9

4.2 RWG1.m-tiedosto 10

4.3 RWG2.m-tiedosto 11

4.4 RWG3.m-tiedosto 11

4.5 EFIELD2.m-tiedosto 12

4.6 Sweeplot.m-tiedosto 14

5 BALUUNIT 17

6 LNA:N SUUNNITTELU 19

6.1 LNA-vahvistimen kohina 22

6.2 LNA-vahvistimen stabiilisuus 23

7 ANTENNIN MITTAAMINEN 24

7.1 Suuntaavuus 25

7.2 Vahvistus 26

7.3 Polarisaatio 27

8 ANTENNIN VALMISTUS JA MITTAAMINEN 28

8.1 Perhosdipolin ominaisuudet 29

8.2 Aktiivisen antennin ominaisuudet 32

8.3 Digi-tv-lähetteen vastaanotto 33

9 YHTEENVETO 34

VIITELUETTELO 36

LYHENTEET

dB Desibeli.

LNA Low Noise Amplifier; Vähäkohinainen vahvistin.

Matlab Matrix Laboratory; Numeeriseen laskentaan tarkoitettu sovellus.

PET Polyetyleeniterftalaatti.

RWG Rao-Wilson-Glisson.

UHF Ultra High Frequency; Taajuusalue 0,3 GHz - 3 GHz.

VHF Very High Frequency; Taajuusalue 30 MHz - 300 MHz.

1

1 JOHDANTO

Tässä insinöörityössä on tavoitteena toteuttaa aktiivinen perhosdipoli- antenni. Antennin tarkoitus on vastaanottaa UHF-taajuuksilla olevia signaa- leja digi-tv-lähetyksiä varten. Aktiivisena komponenttina työssä suunnitellaan LNA-vahvistin, jolla vahvistetaan antenniin tulevaa signaalia.

Työssä käydään yleisesti läpi kanavapakettien merkitys digi-tv-lähetyksissä, signaalin käyttäytyminen ilmarajapinnassa sekä erilaisten antennien ominai- suuksia.

Työssä selvitetään tarkemmin perhosdipolin ja LNA-vahvistimen suunnitte- lua sekä niiden toteutusta. Työssä tutkitaan antennin rakennetta ja ominai- suuksia. Tavoitteena on toteuttaa mahdollisimman optimoitu antenni sekä vahvistin UHF-taajuuksille.

Työssä lasketaan antennin suuntakuvio ja heijastukset käyttäen hyväksi mit- tauslaitteita. Käydään läpi antennin suunnittelua APLAC- ja MATLAB- sovelluksilla sekä antennin mittaamista. Mitattavia suureita ovat vahvisti- messa stabiilisuus ja kohina sekä antennissa suuntaavuus, vahvistus ja po- larisaatio.

Lopuksi esitellään antennin mittaustuloksia, joissa ilmenevät antennin omi- naisuudet käytännössä.

2 DIGITAALISET LÄHETYKSET

Digitaalisia lähetyksiä suomessa välittää Digita Oy, joka myös vastaa radio- ja televisioverkoista, niiden suunnittelusta, rakentamisesta ja ylläpidosta. Di- gitaaliset lähetykset jaotellaan kanavanipuiksi, joita kutsutaan nimillä A, B, C, D ja E. Kanavanippu A on täysin Yleisradio Oy:n käytössä ja muut niput toi- miluvanvaraiseen käyttöön. A- ja B-niput kattavat Suomen pinta-alasta yli 90

% ja muut niput noin 80 % - 90 %. Digitaaliset lähetykset lähetetään taajuuk- silla, joiden keskitaajuus on 482 MHz - 786 MHz. Kanavanippujen taajuudet eivät välttämättä ole samoja eri paikkakunnilla. Nippujen taajuuksia vaihdel- laan, jotta voidaan lähettää paikallisia tv-lähetyksiä, kuten uutisia ja mainok- sia. Esimerkiksi Turussa kanavanipun A keskitaajuus on 714 MHz, kun taas Helsingissä se on 562 MHz. Taivalkoskella kanavanippu A:n keskitaajuus on

sama kuin Helsingissä, mutta etäisyyden ja siitä johtuvan vaimenemisen ta- kia Taivalkoskelta lähetetty ohjelma ei näy pääkaupunkiseudun alueella.

Tästä johtuen saamaa taajuutta kanavanipuissa voidaan käyttää eri puolilla Suomea, kunhan lähetysasemat ovat riittävän etäällä toisistaan. [1; 2.]

UHF-taajuuksien ongelmana ovat erilaiset esteet maastossa, kuten raken- nukset, metsät ja korkeat maastolliset muodot, koska signaalin aallonpituus on lyhyt UHF-taajuuksilla (300 MHz-3 GHz). Aallonpituus on noin 35 cm:stä 1 metriin. Ilmakehän alin kerros eli troposfääri vaikuttaa myös voimakkaasti signaalin vaimenemiseen, varsinkin silloin, kun ilma on kostea ja sateinen.

UHF-taajuuksilla vesipisarat taittavat signaalia enemmän kuin kuiva ilma.

Signaalin eteneminen kosteassa ympäristössä häiriintyy paljon, joten vas- taanottimen kuvaruutu pahimmassa tapauksessa pimenee.

Sironta on säteilyn hajoamista ilmakehässä. Sirontaan vaikuttaa ilmakehäs- sä olevien hiukkasten määrä ja koko. Säteilyn hajonta ei muuta fotonin energiaa eikä aallon pituutta, vaan säteily sirontaa eri suuntiin. Hiukkasen koon ollessa suuri verrattuna aallonpituuteen sirontaa tapahtuu vähemmän kuin sen ollessa pieni. Kun hiukkaset ovat pieniä, kymmenesosa aallonpi- tuudesta, sironta on kääntäen verrannollinen aallonpituuden neljänteen po- tenssiin. Hiukkasten muodolla ei ole merkitystä, koska pitkäaaltoinen säteily ei ”huomaa” hiukkasen yksityiskohtia. Hiukkasen muoto vaikuttaa silloin kun hiukkanen on aallonpituuden luokkaa tai sitä suurempi. Hiukkaset sirontavat signaalia eteenpäin, jos signaaliin törmäävä hiukkanen on kooltaan kaksin- kertainen aallonpituuteen nähden. Kun hiukkanen on pienempi kuin aallon- pituus, sirontaa tapahtuu jokaiseen suuntaan. [3, s. 56, 57.]

3

Kuva 1. Hiukkasten aiheuttama sironta

3 ANTENNIT

Antennien tarkoitus on lähettää tai vastaanottaa sähkömagneettisia aaltoja.

Antennityypit jaotellaan niiden käyttötarkoitusten mukaan ja jokaisella anten- nityypillä on omat hyvät ja huonot puolensa. Antenneja käytetään erilaisiin tarkoituksiin niiden vahvistuksen, suuntaavuuden tai koon mukaan. Esimer- kiksi nykyään matkapuhelimissa käytetään hyvin pieniä antenneja verrattuna niiden aallonpituuteen. Antennityyppejä on useita erimuotoisia ja -kokoisia.

UHF-taajuuksien vastaanotossa käytettäviä antenneja ovat yleensä dipoli- antenneja. On myös olemassa kierukka- ja torviantenneja, joita voidaan käyttää UHF-taajuuksien vastaanottoon. Kotitalouksissa erillisten niin sanot- tujen pöytäantennit ovat perhosdipolimallisia antenneja, jotka on helppoja asentaa ja käyttää.

3.1 Dipoliantenni

Dipoliantenni on yleisin antennityyppi vastaanotettaessa UHF-taajuuksia.

Yksinkertaisimmillaan dipoliantenni koostuu kahdesta neljännesaallon pitui- sesta johtimesta, jotka on kiinnitetty toisesta päästä koaksiaalikaapeliin ja toisesta ovat avoimia. Johdin on kiinni koaksiaalin vaipassa ja toinen johdin

keskijohdossa. Dipolin säteilykuvio muuttuu johtimen pituuden mukaan. Di- polin johtimen pidentyessä säteilykuvio muuttuu litistyneemmäksi, ja pidem- pien johtimien kuviossa on sivukeiloja.

Kuva 2. Dipoliantennin suuntakuviot johtimen pituuteen verrattuna

Dipoliantenni on symmetrinen akselinsa suhteen, joten sen säteilykuvio on

”donitsin” muotoinen. Dipoliantennissa virta osoittaa aina poispäin akselista, joten se ei säteile johtimen päästä vaan johtimen koko matkalta. Kuuluvuu- den parantamiseksi dipoli rakennetaan heijastavaan paneeliin, joka on asennettu puoliaallon mitan päähän dipolista (yagi-antenni). Tämä rakenteel- linen ratkaisu parantaa myös dipoliantennin laajakaistaisuutta. [4, s. 541.]

5

Kuva 3. Dipoliantenni

Kuva 4. Dipoliantennin säteilykuvio

3.1.1 Taittodipoli (Stub-loaded folded dipole)

Tämä antenni on muunnelma perinteisestä dipoliantennista. Taittodipoli on antennityyppi, jolla voidaan vastaanottaa nykyisiä tv-lähetyksiä. Antenni on pieni verrattuna muihin nykyisiin katolla käytettyihin antenneihin. Antenni koostuu kahdesta rinnakkaisesta johdosta, jonka sisälle on rakennettu sil- mukat. Rinnakkaiset johdot muodostavat lenkin, joka on litistetty. Antenni on suunniteltu kattamaan 360 astetta horisontaalisella tasolla. Hyvänä puolena voidaan pitää tämän antennityypin käyttömahdollisuuksia. Antennin voi tu-

lostaa muoville (PET-muoville), joka voidaan liittää esimerkiksi autoon tai ik- kunaan. [5.]

Kuva 5. Taittodipoli

3.1.2 Perhosdipoli

Perhosdipoli on dipoliantennista tehty muunnelma. Perhosdipoleja kutsutaan myös siipidipoliksi tai ristidipoliksi. Siipidipolin etuisuuksiin kuuluu sen pa- rempi laajakaistaisuus verrattuna muihin dipoliantenneihin. Tässä työssä pe- rehdytään juuri perhosdipolin suunnitteluun ja toteutukseen.

3.2 Heliksiantenni

Heliksi- eli kierukka-antenni voidaan toteuttaa kiertämällä johdin tuen ympä- rille joko oikeakätisesti tai vasenkätisesti (kierteet vastapäivään tai myötä- päivään). Kierukka-antennin säteilyn pääkeila on samansuuntainen kuin kie- rukan tuki, kun kyseessä on niin sanottu aksiaalinen muoto. Taajuus mää- räytyy heliksiantennissa johdinkierrosten pituuden mukaan, joten tämän tyyppisellä antennilla voidaan operoida VHF-taajuuksista mikroaaltoihin. An- tenni on mahdollista suunnitella pieneen tilaan. Pienestä tilasta huolimatta antenni tarjoaa hyvän hyötysuhteen ja suuntaavuuden. Kierukka-antennit sopivatkin tämän takia hyvin satelliitteihin. [6, s. 81.]

7

Kuva 6. Kierukka-antennin säteilykuvio

4 PERHOSDIPOLIN SUUNNITTELU

Suunniteltavan perhosdipolin keskitaajuudeksi valittiin 600 MHz ja antenni valmistetaan FR-4 –piirilevylle, jonka permittiivisyys ε_r = 4.6. Aluksi suunni- tellaan antenni suhteellisen permittiiviteetin arvolla ε_r = 1, koska suunnitte- luohjelmat eivät ota huomioon eristelevyn sähköisiä ominaisuuksia.

Valmistetaan suunniteltu antenni ja saatujen mittaustulosten avulla tehdään sitten tarpeellinen mittakaavamuutos. Matlab-sovellus on hyödyllinen anten- nin suunnittelussa. Arvoja muuttamalla saadaan aikaan optimaalinen anten- ni, jonka ominaisuudet voidaan simuloida heti. Matlabissa simulointi tapah- tuu käyttämällä parametreina optimaalisia olosuhteita (tyhjiö), eikä lasken- nassa otettu huomioon olemassa olevia esteitä kuten seiniä tai heijastuksia.

Tällä pyritään samaan antennin käyttämä keskitaajuus (600 MHz) lähelle suunniteltua antennia. Todelliset olosuhteet tulee ottaa huomioon varsinai- sen antennin toteutuksessa.

Matlab on graafinen ohjelma, jolla voidaan simuloida antennin aiheuttamat pintavirrat, sähkökentät, jännitetasot antennin eri kohdissa sekä impedans- sit. Pintavirran jakautuminen antennipinnalle on tärkeimpiä antennilasken- nassa käytettyjä parametreja. Perhosdipolin suunnittelussa Matlabiin määri- tellään dipolin mitat ja laskentapisteiden määrä. Mitat annetaan metreinä ja

laskentapisteet arvoina. Ensin ohjelma jakaa dipolin pinta-alan yhtä suuriin kolmioihin (soluihin), jonka jälkeen Matlab laskee yksittäisen solun arvot ot- taen huomioon viereisten solujen arvot.

Kun pienet solut on laskettu, Matlab laatii impedanssimatriisin. Matriisissa otetaan huomioon taajuus, permittiivisyys vapaassa tilassa ε (epsilon) ja magneettisen permeabiliteetti µ (myy). Permittiivisyys kuvaa väliaineen vai- kutusta sähkökenttään. Permeabiliteetti kuvaa aineen magneettista käyttäy- tymistä.

Tuloksena saadaan impedanssi, joka on teoreettinen. Käytännössä permit- tiivisyys on suurempi kuin vapaan tilan permittiivisyys. Käytettävät materiaa- lit, kuten piirilevy ja johtimet lisäävät permittiivisyyttä. Suunnittelun kulku ete- nee seuraavan kuvan mukaisesti. [7, s. 18-19.]

Kuva 7. Matlabilla suunnittelun kulku

9 4.1 Bowtie.m-tiedosto

Matlabilla simuloitiin ensin antennin fyysinen rakenne xy-tasossa, jonka jäl- keen ohjelmalle annettiin diskretisointiparametrit. Diskretisointiparametreilla tarkoitetaan jakaumaa, jolla ohjelma laskee antennin pinnalle solut käyttäen annettuja x- ja y-rajoja. Solut rajaavat laskennassa käytettyjä pisteitä. Per- hosdipolin korkeus määrättiin taajuuden mukaan (600 MHz). Yhden siiven korkeus on neljännes aallonpituus, koska perhosdipoli on puolen aallon mit- tainen. Matlab laskee pintavirran kahden siiven yli, joten mitta annetaan oh- jelmalle metreinä. Luodessaan kuvaa antennista ohjelma tarvitsee myös kahden siiven välisen kulman (bowtie flare angle). Kulma määritellään radi- aaneina, jonka ohjelma jakaa kahteen yhtä suureen osaan.

Kuva 8. Matlabin simuloima perhosdipoliantenni

Kuva 9 Bowtie.m-tiedoston skripti

4.2 RWG1.m-tiedosto

RWG1.m-tiedostossa Matlab laskee niin sanotut edge-elementit eli RWG- elementit käyttäen S.M Raon, D.R Wiltonin ja A.W Glissomin esittämää me- todia. Tuloksena saadaan mesh1.mat-tiedosto, jossa on rakenteen kaikki RWG-elementit. [8, s. 187.]

11

Kuva 10. RWG1.m-tiedosto

4.3 RWG2.m-tiedosto

Ohjelma jakaa kolmiot vielä 9:ään alikolmioon, joiden pintavirtatiheys olete- taan vakioksi. Tuloksena saadaan mesh2.mat-tiedosto, joka toimii lähtötie- dostona impedanssimatriisin laskennalle.

4.4 RWG3.m-tiedosto

Tämä osio laskee impedanssimatriisin käyttäen IMPMET-funktiota, sekä rat- kaisee virran [I] yhtälöstä

[ ][ ] [ ]

missä

Z = impedanssi I = virta

U = jännite

IMPMET-funktiolle annetaan taajuusaskeleiden määrä, alku- ja lopputaajuu- det (FregStart ja FregStop) sekä sähkövakio ja permeabiliteetti. Näillä arvoil- la Matlab laskee antennin kokonaisimpedanssin ja ilmoittaa sen muodossa resistanssi + reaktanssi. Tuloksena saadaan current.mat-tiedosto, jossa on pintavirran jakaumatieto antennin pinnalla.

Kuva 11. RWG3.m-tiedosto

4.5 EFIELD2.m-tiedosto

EFILED2 laskee vahvistuksen (gain) ja säteilevän tehon taajuuden funktiona sekä pintavirtavakiot. EFIELD2 saa vaadittavat arvot RWG2:ssa ja RWG3:ssa lasketuista arvoista. Tähän osioon tarvitsee määritellä ympyrän säde, joka annetaan metreinä. Koodiin on annettu arvoksi 1000 metriä, mut- ta metreillä ei ole suurta vaikutusta laskennassa, kunhan arvo on tarpeeksi

13 suuri. Säteilykuvion laskenta- ja piirto-ohjelma on efield2single ja efield3single. Edellisellä voidaan piirtää 3D-kuva säteilystä ja jälkimmäisellä suuntakuviot.

Kuva 12. Efield2singlen piirtämä kuvio säteilystä

Kuva 13. Efield3singlen piirtämä suuntakuvio

Kuva 14. EFIELD.m-tiedosto

4.6 Sweeplot.m-tiedosto

Sweeplot piirtää graafisesti säteilevän tehon (Watt), vahvistuksen (Gain), heijastuskertoimen ja antennin ottoimpedanssin. Kaikki edellä mainitut esite- tään taajuuden funktioina. Sweeplot ajetaan RWG3:n ja EFIELDin jälkeen.

15

Kuva 15. Sisäänmenon resistanssi

Kuva 16. Sisäänmenon reaktanssi

Kuva 17. S11-heijastus

Kuva 18. Vahvistus

17

Kuva 19. Sweeplot.m-tiedosto

5 BALUUNIT

Baluunilla tarkoitetaan siirtolinjamuuntajaa, jolla sovitetaan balansoitu balan- soimattomaan. Baluun on hyödyllinen, kun se sovitetaan esimerkiksi tässä työssä koaksiaalijohto parijohtoon. Parijohto antennissa on integroitu piiriin.

Vaikka antennin syöttöpisteen impedanssi on hyvin lähellä 50 ohmia, niin baluunin tarkoitus onkin tässä tapauksessa vähentää epäsymmetrisiä RF- vaippavirtoja. Baluun eristää koaksiaalijohdon vaipan ja antennin toisistaan.

Baluunit eroavat muuntajista merkittävästi. Muuntajan perustoiminta perus- tuu RF-signaalin energian siirtymiseen käämistä toiseen magneettikentän avulla. Käämin hyvänä puolena voidaan pitää sen muutossuhteiden säätelyä ja galvaanista erotusta. Sillä voidaan tehdä mielivaltaisia muutossuhteita esimerkiksi 7:11. Muuntaja on taas huono korkeilla taajuuksilla. Sen häviö herkissä vastaanottimissa on liian suuri, jotta sitä voidaan käyttää.

Baluuneita on erilaisia. Karkea jako baluuneille voidaan tehdä niiden impe- danssin muunnoksen mukaan. On olemassa niin sanottu 4:1 baluun, joka nostaa impedanssin 50 ohmista 200 ohmiin. Tällainen on esimerkiksi 4:1 to- roidi. 4:1-muunnos voidaan myös tehdä puoliaallon pituisella koaksiaalin joh- dolla, joka on viivelinjatyyppinen. Koaksiaalijohdolla tehty baluun on ka- peakaistainen, mutta yagi-antennien syöttöelementissä ne ovat erityisen hy- viä niiden helpon toteutuksen takia. Baluuneita on myös 1:1-muutoksen te- keviä. Näissä baluuni symmetrisoi johdon ja antennin toisiinsa.

Dipoliantennissa toteutettiin 1:1 neljännesaalto koaksiaali baluun. Aallonpi- tuus 600 MHz:llä on 50 cm, joten baluunin mitaksi laskettiin neljännesaalto, eli 12,5 cm. Seuraavassa kaavat, joilla baluunin pituus laskettiin:

λ

f =

c (6.1)

r

g

ε

λ

λ

g x 4 =

λ

missä

c = valonnopeus tyhjiössä f = taajuus

λ₀ = aallonpituus tyhjiössä λ_g = aallonpituus

ε_r = suhteellinen permittiivisyys x = baluunin fyysinen pituus.

Todellisuudessa baluunin ei tarvitse olla 12.5 cm:ä, koska suhteellinen per- mittiivisyys on noin 2. Tästä seuraa, että baluun lyhenee noin 9 cm:iin.

Vaikka piirilevyn permittiivisyys on 4,6, niin todellisuudessa baluunin sähkö- vakio ei ole sama. Sähkökenttä ei kulje ainoastaan piirilevyssä, vaan myös

19 ilmassa, joten koko systeemin suhteellinen permiittivisyys laskee noin 2:een.

Balunin pituus on laskettu APLAC-ohjelmalla.

Kuva 20. Baluunin optimointi APLACilla

APLAC laskee pituuden käyttäen piirilevyn paksuutta, sähkövakiota, baluu- nin johtimien välistä mittaa ja leveyttä parametreinaan. Impedanssin men- nessä lähelle ääretöntä saadaan keskitaajuus, jolle baluuni on optimoitu.

Tällöin signaali ei ”näe” baluunia. Baluunin pituudeksi saatiin APLACilla 8,92 cm.

6 LNA:N SUUNNITTELU

LNA-vahvistin (Low Noise amplifier) on vähäkohinainen vahvistin, joka vah- vistaa heikkoja signaaleja. LNA-vahvistin pyritään toteuttamaan mahdolli- simman vähäkohinaiseksi, jotta systeemin oma kohina ei häiritse vahvistet- tua signaalia. Vahvistimien ongelmana onkin itse tuotetun kohinan vahvis- taminen ja sen hyötysignaalin häirintä. Vahvistin pyritään asentamaan mah- dollisimman lähelle antennin ulostuloa, jotta siirtojohdon vaimennus ei lisäisi järjestelmän kohinalukua. LNA-vahvistimia käytetään lähes jokaisessa vas- taanottoantennissa.

Tätä työtä varten suunniteltiin 650 MHz:n taajuudelle optimoitu vahvistin, jo- ka vahvistaa myös 600 MHz:lle optimoitua perhosdipoliantennin vastaanot- tamaa signaalia. Suunnittelussa on myös otettava huomioon vahvistimen stabiilisuus, joka pyritään toteuttamaan niin, että se pysyisi yli 1:n UHF- taajuusalueella.

Kuva 21. LNA-vahvistimen stabiilisuus APLACilla esitettynä

LNA-vahvistin toteutettiin FR-4-piirilevylle (epsilon = 4,6), joka on ominai- suuksiltaan samanlainen kuin perhosdipolin piirilevy. Piirin komponenttien arvot laskettiin APLACilla Smithin-diagrammin avulla. Aplacilla laskettiin pii- rin toiminnan keskitaajuus, jonka jälkeen piirilevy suunniteltiin CAD- ohjelmalla mahdollisimman pieneksi, jotta signaalin kulku olisi mahdollisim- man lyhyt. Tätä varten myös komponentit olivat pintaliitoskomponentteja, jot- ka juotettiin piirilevyn pintaan. Maataso toteutettiin toiselle puolelle piiriä, joka vedettiin läpivientinä komponenteille.

Kuva 22. LNA-piiri

21 Piirikaaviossa olevat 100pF:n, 100nF:n ja 10nF:n kondensaattorit estävät pii- riä resonoimasta. Vahvistimen toimintataajuus oli 650 MHz ja vahvistus tällä taajuudella oli 11,4 dB (käyttöjännitteellä 9 V). Kohinaluku taajuudella 650 MHz oli 4,6 dB. Käyttöjännite oli 5 V, transistorin tasavirta 25 mA ja vahvis- tuskerroin β = 50.

Kuva 23. LNA-vahvistimen piirikaavio

LNA-vahvistin suunniteltiin vahvistamaan yli 10 dB:n taajuusvälillä 500 MHz- 650 MHz.

LNA:n vahvistus (G) ja kohina (NF) eri taajuuksilla:

Kuva 24. LNA-vahvistimen vahvistus ja kohina

6.1 LNA-vahvistimen kohina

Vahvistimen komponentit voidaan sovittaa käyttämällä smithin-diagrammia, mutta nykyään on olemassa ohjelmia, joilla voidaan simuloida komponent- tien sovitus kuten APLAC. APLACilla suunniteltiin vahvistin, joka olisi mah- dollisimman vähäkohinainen ja stabiili.

APLACilla sovitetaan olemassa olevia komponentteja piiriin. Simuloimalla piirissä olevia osia saadaan teoreettiset arvot LNA:n toiminnasta. Ohjelmalla optimoitiin 650 MHz:n taajuudella piirissä olevat komponentit. Smithin dia- grammi näyttää vahvistimen kohinaluvun.

Kuva 25. Kohinan optimointi APLACilla

Sovituksen jälkeen simuloidaan arvot, jotka APLAC antaa graafisesti esitet- tynä.

Kuva 26. LNA-vahvistimen kohinaluku APLACilla esitettynä

23 Komponenttien ominaisuudet asettavat suunnittelulle rajat, koska suunnitel- taessa piiriä joudutaan turvautumaan kaupallisten komponenttien ominai- suuksiin. Tämän takia piirin täydellinen optimointi ei aina onnistu.

6.2 LNA-vahvistimen stabiilisuus

Vahvistimessa stabiilisuus on vahvistuksen kanssa tärkeimpiä ominaisuuk- sia. Vahvistin ei saa resonoida missään vaiheessa. Ehtona stabiilisuudelle on:

2 1 1

21 12

2 2 22 2

11 − + ∆ >

−

S S

S

S (5.1)

missä

21 1

12 22

11 − <

=

∆ S S S S

S₁₁ = sisään menon heijastuskerroin kompleksilukuna S12 = jännitevahvistus lähdöstä tuloon

S₂₁ = jännitevahvistus tulosta lähtöön S₂₂ = ulostulon heijastuskerroin

Sisään menevän ja ulostulevan heijastuksen on oltava mahdollisimman pie- ni, jotta stabiilisuus saavutetaan. Arvot tulee olla mahdollisimman lähellä Smithin diagrammin keskustaa.

Kuva 27. Heijastuskertoimet Smithin diagrammissa

Stabiilisuus toteutettiin piirin lisätyillä vastuksilla. Tärkeää suunnittelussa on, että sisään tuleva signaali ei heijastu takaisin antenniin.

Kuva 28. Heijastukset APLACin simuloimalla

7 ANTENNIN MITTAAMINEN

Antennin mittaaminen on usein ainoa tapa selvittää antennin ominaisuudet.

Antennin ominaisuuksiin kuuluu polarisaatio, suuntakuvio ja vahvistus. Omi- naisuuksien laskeminenkin on mahdollista, mutta valmistuksessa ja suunnit- telussa tulee kuitenkin virheitä, joita ei voida ottaa huomioon laskennassa.

Antennien mittaustekniikka on yhtä laaja kuin erilaisten antennien sovelluk- set. On olemassa erilaisia mittauspaikkoja ja -menetelmiä antennien ominai- suuksien mittaamiseen. Antennin käyttämä taajuus ja antennin vaatima koko sulkee pois joitakin mittausmenetelmiä. Antennin säteilemällä kentällä on amplitudi, vaihe ja suunta, jotka riippuvat ajasta ja paikasta. Yleensä antenni on tarkoitettu pitkille etäisyyksille, joten lähettävän ja vastaanottavan anten- nin pitää olla mittauksissa riittävän etäällä toisistaan. Reaktiivisessa lähiken- tässä ja säteilevässä lähikentässä (Fresnelin alue) antennin säteilyominai- suudet riippuvat näissä kentissä etäisyydestä. Tämän takia antennien on ol- tava riittävän etäällä toisistaan. Kaukokentässä (Fraunhoferin alue) antennin säteilyominaisuudet eivät ole riippuvaisia etäisyydestä. Antennin säteilemät kentät voidaan mitata, jos antennit sijaitsevat vähintään

λ

(7.1)

25

missä

D = antennin suurin mitta λ = aallon pituus

päässä toisistaan. Kaukokentässä kenttä muistuttaa tasoaaltoa, jolloin voi- daan mitata suuntakuvio, vahvistus ja polarisaatio ilman, että etäisyys vai- kuttaisi näihin.

Mitattaessa antenneja käytetään hyväksi resiprookkisuusteoreemaa, eli teo- reemaa, jonka mukaan antennien ominaisuudet ovat samoja sen toimiessa lähetys- tai vastaanottoantennina. Mitattavia suureita ovat suuntaavuus (D), vahvistus (G) ja polarisaatio (E). [8, s. 169.]

7.1 Suuntaavuus

Suuntaavuus voidaan laskea suuntakuviosta, joka kuvaa antennin säteile- män tehotiheyden P (θ,Φ) tai kenttävoimakkuuden E (θ,Φ) kulmariippuvuut- ta. Suuntakuviosta voidaan päätellä pääkeilan suunta, 3 dB:n keilanleveys, sivukeilojen ja nollakohtien tasot ja sijainnit sekä keilahyötysuhde. Suuntaa- vuus saadaan laskemalla suuntakuviosta integroimalla.

( )

=

∫∫

D

n

θ φ

π

π ,

4

4

(7.2)

missä

D = suuntaavuus P_n (θ,Φ)= tehotiheys dΩ = avaruuskulman alkio.

Kaavassa 7.2 lasketaan suuntaavuus integroimalla yli koko avaruuskulman 4π.

Suuntaavuus ei ole tärkeimpiä ominaisuuksia antennissa, koska vahvistuk- sen ollessa hyvä, voidaan antenni suunnata mihin ilmansuuntaan tahansa.

[9, s. 171.]

7.2 Vahvistus

Vahvistus G on pääkeilan tehotiheyden suhde häviöttömän isotrooppisen antennin säteilemään tehoon. Häviötön antenni säteilee saman tehon, kuin antenni vastaanottaa. Todellisuudessa metallipinnat ja dielektriset aineet vä- hentävät tehoa, joten vahvistus on suuntaavuutta pienempi. Vahvistus voi- daan laskea, kun tiedetään pääkeilan suunnassa oleva vahvistus.

2

4 



 



⋅ 

⋅

=P G G r

P_{rx tx tx rx}

π

λ

missä

P_rx = vastaanotettu teho P_tx = lähetys teho

G_tx = lähetys antennin vahvistus λ = aallonpituus

r = antennien välinen matka metreinä.

Kaavan logaritminen muoto on

( )

( )

r P

G = _rx − _tx



 

 + 

π λ lg 4 20 lg

20 (7.5)

Vahvistus ilmoitetaan muodossa dBi, jossa i ilmoittaa vahvistuksen suhtees- sa isotrooppiseen antenniin.

Vahvistus G jaetaan suuntaavuudella, jolloin saadaan säteilyhyötysuhde. Mi- tä lähempänä ykköstä säteilyhyötysuhteen arvo on sitä parempi vahvistus.

D G

r =

η ^(7.6)

missä

η

27

D = suuntaavuus

Vahvistus on tärkeimpiä ominaisuuksia antennia mitattaessa ja suunnitelta- essa. Vahvistus kertoo antennin kyvyn vastaanottaa heikkoja signaaleita. [9, s. 171.]

7.3 Polarisaatio

Polarisaatio kuvaa antennin säteilemän sähkömagneettisen kentän käyttäy- tymistä. Sähkökenttävektori voidaan jakaa kahteen vektoriin, jotka ovat toisi- aan vastaan kohtisuorassa. Kohtisuoraan toisiaan vastaan olevilla vektoreilla voidaan kuvata ajan suhteen sinimuotoista sähkökenttää seuraavasti:

( )

ω

( ω δ )

>

− t =E t⋅u +E t+ ⋅u

E cos cos (7.7)

missä

θ

→

u ja φ

→

u = yksikkövektoreita

θ

→

E ja _φ

→

E = sähkökentän vektoreita δ = kenttävektorin pyörimissuunta

Kuva 29. Polarisaatioellipsi

Näin ollen Eθ:n ollessa nolla kyseessä on vaakapolarisaatio ja EΦ:n ollessa nolla on kyseessä pystypolarisaatio. Polarisaatio voi olla lineaarinen, myötä- päivään pyörivä kenttävektori (oikeakätinen polarisaatio) tai vastapäivään pyörivä kenttävektori (vasenkätinen polarisaatio). Elliptistä polarisaatiota ku- vataan akselisuhteella Emax/Emin, pyörimissuunnalla ja kallistuskulmalla τ.

Pääpolarisaation kuvio saadaan mitattua, kun vastaanotto- ja lähetysanten- nien polarisaatiotasot ovat samat.

Kuva 30. Pallokordinaatisto

Antenni on suunniteltu toimimaan määrätyllä polarisaatiolla. Vastaanotetun signaalin polarisaation ollessa sama kuin vastaanottoantennin määrätty po- larisaatio ei synny epäsovitusta. Tällöin polarisaatio sovittuu antenniin. [9, s.

171; 172.]

8 ANTENNIN VALMISTUS JA MITTAAMINEN

Antenni valmistettiin FR-4-piirilevylle (lasikuitulaminaatti), joka on 1,5 mm paksu. FR-4 piirilevyssä kuparin paksuus piirilevyn pinnalla on 35 um ja er = 4,7 (suhteellinen permittiivisyys). CAD-sovelluksella piirrettiin antenni tarkasti mittojen mukaan, joka tulostettiin kalvolle. Piirilevy valotettiin kalvon läpi, jonka kehitys tapahtui piirilevylle natriumhydroksidiliuoksella. Näin toimimalla

29 saatiin antennikuvio piirilevylle tarkasti mittojen mukaan. Kehitetyn piirin ha- potus tapahtui ferrikloridilla.

8.1 Perhosdipolin ominaisuudet

Perhodipolista valmistettiin kaksi antennia, jotka eivät sisältäneet vielä tässä vaiheessa baluuneita. Antenneista mitattiin impedanssi ja heijastukset. Hei- jastus määrätyllä taajuudella pyrittiin saamaan mahdollisimman pieneksi.

Heijastus on noin -20 dB ja impedanssi noin 43 ohmia 590 MHz taajuudella.

Kuva 31. Perhosdipoliantennin heijastus

Kuva 32. Perhosdipoliantennin impedanssi

Antennit mitattiin vektoripiirianalysaattorilla, jolla saatiin edellä mainitut ku- vat. Kuvista pääteltiin antennin olevan lähellä suunniteltua antennia, jonka ominaisuudet vastasivat suunniteltuja arvoja. Kuvien perustella optimoitiin antenni määrätylle taajuudelle (600 MHz).

Uudet antennit valmistettiin edellisten mittausten arvojen mukaan, joihin li- sättiin baluun. Baluunin pituudeksi saatiin 9 cm, jonka arvo laskettiin APLAC- sovelluksella. Ohjelmassa käytettiin niin sanottua liukusäädintä, jolla baluu- nin pituus saatiin lasketuksi. Baluun suunniteltiin CAD-ohjelmalla kalvolle, joka valotettiin uudelleen piirilevylle. Piirilevylle baluunin päälle juotettiin 50 ohmin koaksiaalikaapeli antenniliitäntää varten. Piirilevyn valmistuksen jäl- keen mitattiin uudelleen heijastus. Merkittäviä muutoksia antenniin ei tullut.

31

Antennin suuntakuvio mitattiin radiokaiuttomassa huoneessa, jotta häiriöteki- jät voitiin sulkea pois. Mittauksissa käytettiin lähetysantennina samanlaista antennia kuin vastaanotossa. Mittaamisessa tärkeää oli varmistaa liittimien ja johtojen kunto, jotta mittauksesta saadaan mahdollisimman tarkka.

Suuntakuvio

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0

1

2 3 4

5 6

7 8

9 10 11 12 13 14 15 17 16 18 19 21 20

22 23 24 25 26 27 28 29 30

31 32

33

34 35 36

Kuva 33. Antennin suuntakuvio E-tasossa

8.2 Aktiivisen antennin ominaisuudet

Aktiiviseen antenniin kuuluu vahvistin, joka vahvistaa antennin vastaanotta- man signaalin. Antenniin suunniteltiin LNA-vahvistin, joka optimoitiin 650 MHz taajudelle. LNA suunniteltiin vahvistamaan yli 10 dB:iä. Vahvistimen ominaisuuksia mitattiin radiokaiuttomassa huoneessa.

Mittaukset tehtiin radiokaiuttomassa huoneessa, jotta mittaus olisi mahdolli- simman tarkka. E-tasossa 600 MHz:llä LNA vahvistaa keskimäärin 13,3 dB:iä. Suunta-antennin vahvistus voidaan laskea kaavan 7.5 mukaan. An- tennista mitataan Amax ja Amin, joiden erotus on suunta-antennin ristipolari- saatiovaimennus pääkeilan maksimisuunnassa. Tuloksesta vähennetään lä- hetetty teho, josta saadaan vertailuteho isotrooppiselle antennille.

33

Suuntakuvio LNA:n kanssa

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0

1

2 3 4

5 6

7 8

9 10 11 12 13 14 15 16 18 17 19 21 20

22 23 24 25 26 27 28 29 30

31 32

33

34 35 36

Kuva 34. E-tason suuntakuvio vahvistimen kanssa

8.3 Digi-tv-lähetteen vastaanotto

Vertailuantennina käytettiin yagi-antennia, joka mitattiin normaaliolosuhteis- sa (luokassa). Vertailu tehtiin ranskalaisten kehittämällä mittarilla, jolla voitiin mitata vastaan otetun signaalin taso dBuV:ssa sekä kantoaallon ja kohinan suhde C/N desibeleissä. Mittaustulokset ovat alla:

Triax Yagi 10 UHF Taajuus(MHz)

C/N (dB) P (dBm)

562MHz 44.1 dB -52.65 dBm

658MHz 43.8 dB -52.55 dBm

674MHz 41.2 dB -55.55 dBm

730MHz 40.8 dB -56.05 dBm

Perhosdipoli Taajuus(MHz)

C/N (dB) P (dBm)

562MHz 42.3 dB -54.15 dBm

658MHz 38.5 dB -58.35 dBm

674MHz 35.5 dB -61.15 dBm

730MHz 33.2 dB -63.15 dBm

Perhosdipoli + LNA Taajuus(MHz)

C/N (dB) P (dBm)

562MHz 44.5 dB -41.25 dBm

658MHz 40.9 dB -48.75 dBm

674MHz 35.0 dB -51.75 dBm

730MHz 37.4 dB -57.75 dBm

Mittauksista voitiin päätellä, että vertailuantenni ja perhosdipoli LNA:lla ovat keskimäärin yhtä hyviä. Mittauksista todettiin, että kohina on radioyhteydeltä tuleva ominaisuus, jota ei saa pois vahvistuksella. Kohinan ja kantoaallon suhteen pudotessa alle -30 dB:n kuva häviää tai menee rakeiseksi.

9 YHTEENVETO

Tämän insinöörityön tavoitteena oli suunnitella ja rakentaa toimiva aktiivinen perhosdipoliantenni. Suunnittelussa käytettiin olemassa olevia sovelluksia ja niissä olevia skriptejä.

Työn tarkoitus oli perehtyä dipoliantennien ominaisuuksiin ja kehittää pa- rempi antenni kuin markkinoilla olevat antennit. Suunnittelussa otettiin huo-

35 mioon antennin ominaisuudet teoriassa ja pyrittiin rakentaa mahdollisimman hyvä antenni.

Työssä suunniteltiin kaksi erillistä piiriä, jotka yhdistettiin yhdeksi kokonai- suudeksi. LNA-vahvistin ja antenni. LNA-vahvistin suunniteltiin mahdollisim- man vähäkohinaiseksi vahvistuksen kustannuksella. Antenni suunniteltiin ja toteutettiin tarkasti jotta ominaisuudet, jotka laskettiin teoriassa saataisiin to- teutettua antennissa.

Ominaisuuksia ei niinkään laskettu vaan pyrittiin hyödyntämään Matlab- ja APLAC-sovellusta. Antenni mitattiin radiokaiuttomassa huoneessa virheiden minimoimiseksi.

Työn tavoitteisiin päästiin ja antennia testattiin normaaliolosuhteissa. Anten- nin ominaisuudet täyttyivät yli odotusten ja antenni saatiin toimimaan kotita- loudessa.

Materiaalit työhön olivat niukasti saatavilla, koska esimerkiksi baluunista ker- tovaa kirjaa ei ole julkaistu suomeksi. Englanninkielisiäkin oli harvasssa, jois- sa ei esiintynyt matemaattista teoriaa baluuneista.

VIITELUETTELO

[1] Digita Oy, Yhtiön esittely [verkkodokumentti, viitattu 7.11.2009]. Saatavissa:

http://www.digita.fi/digita_dokumentti.asp?path=1840;2249;3795.

[2] Digita Oy, Pääasemat ja kanavaniput [verkkodokumentti, viitattu 7.11.2009]

Saatavissa: http://www.digitv.fi/sivu.asp?path=1;8224;9519.

[3] Karttunen, Hannu; Koistinen, Jarmo; Saltikoff, Elena; Manner, Olli; Ilmakehä, sää ja ilmasto. URSA 2008.

[4] STUK, Antennien säteilyt [verkkodokumentti, viitattu 11.7.2009] Saatavissa:

http://stuk.fi/julkaisut_maaraykset/kirjasarja/fi_FI/kirjasarja6/_files/122226325 10021211/default/6_Liitteet.pdf.

[5] H, Iizuka; T, Watanabe; K, Sakakibara; N, Kikuma; IEEE Antennas and wire- less propagation letters, VOL.5, 2006; Stub-Loaded Folded dipole antenna for Digital Terrestrial TV reseption.

[6] Saunders, Simon R; Antennas and propagations for wireless communication systems. 1. painos. Wiley: England. 1999.

[7] Makarov, Sergey N; Antenna and EM modeling with MATLAB. 1.painos.

Wiley: Canada. 2002.

[8] Davidson, David B; Computational electromagnetics for RF and microwave engineering. 1.painos. Cambridge 2005.

[9] Lehto, Arto; Räisänen, Antti; RF- ja mikroaaltotekniikka (547). 5 korjattu pai- nos. Helsinki 2001.